docs/report/vpp_performance_tests/overview.rst

   1 Overview
   2 ========
   3
   4 Tested Physical Topologies
   5 --------------------------
   6
   7 CSIT VPP performance tests are executed on physical baremetal servers hosted by
   8 LF FD.io project. Testbed physical topology is shown in the figure below.
   9
  10 ::
  11
  12     +------------------------+           +------------------------+
  13     |                        |           |                        |
  14     |  +------------------+  |           |  +------------------+  |
  15     |  |                  |  |           |  |                  |  |
  16     |  |                  <----------------->                  |  |
  17     |  |       DUT1       |  |           |  |       DUT2       |  |
  18     |  +--^---------------+  |           |  +---------------^--+  |
  19     |     |                  |           |                  |     |
  20     |     |            SUT1  |           |  SUT2            |     |
  21     +------------------------+           +------------------^-----+
  22           |                                                 |
  23           |                                                 |
  24           |                  +-----------+                  |
  25           |                  |           |                  |
  26           +------------------>    TG     <------------------+
  27                              |           |
  28                              +-----------+
  29
  30 SUT1 and SUT2 are two System Under Test servers (Cisco UCS C240, each with two
  31 Intel XEON CPUs), TG is a Traffic Generator (TG, another Cisco UCS C240, with
  32 two Intel XEON CPUs). SUTs run VPP SW application in Linux user-mode as a
  33 Device Under Test (DUT). TG runs TRex SW application as a packet Traffic
  34 Generator. Physical connectivity between SUTs and to TG is provided using
  35 different NIC models that need to be tested for performance. Currently
  36 installed and tested NIC models include:
  37
  38 #. 2port10GE X520-DA2 Intel.
  39 #. 2port10GE X710 Intel.
  40 #. 2port10GE VIC1227 Cisco.
  41 #. 2port40GE VIC1385 Cisco.
  42 #. 2port40GE XL710 Intel.
  43
  44 From SUT and DUT perspective, all performance tests involve forwarding packets
  45 between two physical Ethernet ports (10GE or 40GE). Due to the number of
  46 listed NIC models tested and available PCI slot capacity in SUT servers, in
  47 all of the above cases both physical ports are located on the same NIC. In
  48 some test cases this results in measured packet throughput being limited not
  49 by VPP DUT but by either the physical interface or the NIC capacity.
  50
  51 Going forward CSIT project will be looking to add more hardware into FD.io
  52 performance labs to address larger scale multi-interface and multi-NIC
  53 performance testing scenarios.
  54
  55 For test cases that require DUT (VPP) to communicate with VM(s) over vhost-user
  56 interfaces, N of VM instances are created on SUT1 and SUT2. For N=1 DUT (VPP)
  57 forwards packets between vhostuser and physical interfaces. For N>1 DUT (VPP) a
  58 logical service chain forwarding topology is created on DUT (VPP) by applying L2
  59 or IPv4/IPv6 configuration depending on the test suite.
  60 DUT (VPP) test topology with N VM instances
  61 is shown in the figure below including applicable packet flow thru the DUTs and
  62 VMs (marked in the figure with ``***``).
  63
  64 ::
  65
  66     +-------------------------+           +-------------------------+
  67     | +---------+ +---------+ |           | +---------+ +---------+ |
  68     | |  VM[1]  | |  VM[N]  | |           | |  VM[1]  | |  VM[N]  | |
  69     | |  *****  | |  *****  | |           | |  *****  | |  *****  | |
  70     | +--^---^--+ +--^---^--+ |           | +--^---^--+ +--^---^--+ |
  71     |   *|   |*     *|   |*   |           |   *|   |*     *|   |*   |
  72     | +--v---v-------v---v--+ |           | +--v---v-------v---v--+ |
  73     | |  *   *       *   *  |*|***********|*|  *   *       *   *  | |
  74     | |  *   *********   ***<-|-----------|->***   *********   *  | |
  75     | |  *    DUT1          | |           | |       DUT2       *  | |
  76     | +--^------------------+ |           | +------------------^--+ |
  77     |   *|                    |           |                    |*   |
  78     |   *|            SUT1    |           |  SUT2              |*   |
  79     +-------------------------+           +-------------------------+
  80         *|                                                     |*
  81         *|                                                     |*
  82         *|                    +-----------+                    |*
  83         *|                    |           |                    |*
  84         *+-------------------->    TG     <--------------------+*
  85         **********************|           |**********************
  86                               +-----------+
  87
  88 For VM tests, packets are switched by DUT (VPP) multiple times: twice for a
  89 single VM, three times for two VMs, N+1 times for N VMs.
  90 Hence the external
  91 throughput rates measured by TG and listed in this report must be multiplied
  92 by (N+1) to represent the actual DUT aggregate packet forwarding rate.
  93
  94 Note that reported VPP performance results are specific to the SUTs tested.
  95 Current LF FD.io SUTs are based on Intel XEON E5-2699v3 2.3GHz CPUs. SUTs with
  96 other CPUs are likely to yield different results. A good rule of thumb, that
  97 can be applied to estimate VPP packet thoughput for Phy-to-Phy (NIC-to-NIC,
  98 PCI-to-PCI) topology, is to expect the forwarding performance to be
  99 proportional to CPU core frequency, assuming CPU is the only limiting factor
 100 and all other SUT parameters equivalent to FD.io CSIT environment. The same rule
 101 of thumb can be also applied for Phy-to-VM-to-Phy (NIC-to-VM-to-NIC) topology,
 102 but due to much higher dependency on intensive memory operations and
 103 sensitivity to Linux kernel scheduler settings and behaviour, this estimation
 104 may not always yield good enough accuracy.
 105
 106 For detailed LF FD.io test bed specification and physical topology please refer
 107 to `LF FDio CSIT testbed wiki page <https://wiki.fd.io/view/CSIT/CSIT_LF_testbed>`_.
 108
 109 Performance Tests Coverage
 110 --------------------------
 111
 112 Performance tests are split into the two main categories:
 113
 114 - Throughput discovery - discovery of packet forwarding rate using binary search
 115   in accordance to RFC2544.
 116
 117   - NDR - discovery of Non Drop Rate packet throughput, at zero packet loss;
 118     followed by one-way packet latency measurements at 10%, 50% and 100% of
 119     discovered NDR throughput.
 120   - PDR - discovery of Partial Drop Rate, with specified non-zero packet loss
 121     currently set to 0.5%; followed by one-way packet latency measurements at
 122     100% of discovered PDR throughput.
 123
 124 - Throughput verification - verification of packet forwarding rate against
 125   previously discovered throughput rate. These tests are currently done against
 126   0.9 of reference NDR, with reference rates updated periodically.
 127
 128 CSIT |release| includes following performance test suites, listed per NIC type:
 129
 130 - 2port10GE X520-DA2 Intel
 131
 132   - **L2XC** - L2 Cross-Connect switched-forwarding of untagged, dot1q, dot1ad
 133     VLAN tagged Ethernet frames.
 134   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 135     with MAC learning; disabled MAC learning i.e. static MAC tests to be added.
 136   - **IPv4** - IPv4 routed-forwarding.
 137   - **IPv6** - IPv6 routed-forwarding.
 138   - **IPv4 Scale** - IPv4 routed-forwarding with 20k, 200k and 2M FIB entries.
 139   - **IPv6 Scale** - IPv6 routed-forwarding with 20k, 200k and 2M FIB entries.
 140   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM and service chains
 141     of 2 VMs using vhost-user interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2
 142     Cross-Connect, L2 Bridge-Domain, VXLAN with L2BD, IPv4 routed-forwarding.
 143   - **COP** - IPv4 and IPv6 routed-forwarding with COP address security.
 144   - **iACL** - IPv4 and IPv6 routed-forwarding with iACL address security.
 145   - **LISP** - LISP overlay tunneling for IPv4-over-IPv4, IPv6-over-IPv4,
 146     IPv6-over-IPv6, IPv4-over-IPv6 in IPv4 and IPv6 routed-forwarding modes.
 147   - **VXLAN** - VXLAN overlay tunnelling integration with L2XC and L2BD.
 148   - **QoS Policer** - ingress packet rate measuring, marking and limiting
 149     (IPv4).
 150   - **CGNAT** - Carrier Grade Network Address Translation tests with varying
 151     number of users and ports per user.
 152
 153 - 2port40GE XL710 Intel
 154
 155   - **L2XC** - L2 Cross-Connect switched-forwarding of untagged Ethernet frames.
 156   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 157     with MAC learning.
 158   - **IPv4** - IPv4 routed-forwarding.
 159   - **IPv6** - IPv6 routed-forwarding.
 160   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM and service chains
 161     of 2 VMs using vhost-user interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2
 162     Cross-Connect, L2 Bridge-Domain, VXLAN with L2BD, IPv4 routed-forwarding.
 163   - **IPSec** - IPSec encryption with AES-GCM, CBC-SHA1 ciphers, in combination
 164     with IPv4 routed-forwarding.
 165   - **IPSec+LISP** - IPSec encryption with CBC-SHA1 ciphers, in combination
 166     with LISP-GPE overlay tunneling for IPv4-over-IPv4.
 167
 168 - 2port10GE X710 Intel
 169
 170   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 171     with MAC learning.
 172   - **VMs with vhost-user** - virtual topologies with 1 VM using vhost-user
 173     interfaces, with VPP forwarding modes incl. L2 Bridge-Domain.
 174
 175 - 2port10GE VIC1227 Cisco
 176
 177   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 178     with MAC learning.
 179
 180 - 2port40GE VIC1385 Cisco
 181
 182   - **L2BD** - L2 Bridge-Domain switched-forwarding of untagged Ethernet frames
 183      with MAC learning.
 184
 185 Execution of performance tests takes time, especially the throughput discovery
 186 tests. Due to limited HW testbed resources available within FD.io labs hosted
 187 by Linux Foundation, the number of tests for NICs other than X520 (a.k.a.
 188 Niantic) has been limited to few baseline tests. Over time we expect the HW
 189 testbed resources to grow, and will be adding complete set of performance
 190 tests for all models of hardware to be executed regularly and(or)
 191 continuously.
 192
 193 Performance Tests Naming
 194 ------------------------
 195
 196 CSIT |release| follows a common structured naming convention for all
 197 performance and system functional tests, introduced in CSIT rls1701.
 198
 199 The naming should be intuitive for majority of the tests. Complete
 200 description of CSIT test naming convention is provided on `CSIT test naming wiki
 201 <https://wiki.fd.io/view/CSIT/csit-test-naming>`_.
 202
 203 Here few illustrative examples of the new naming usage for performance test
 204 suites:
 205
 206 #. **Physical port to physical port - a.k.a. NIC-to-NIC, Phy-to-Phy, P2P**
 207
 208     - *PortNICConfig-WireEncapsulation-PacketForwardingFunction-
 209       PacketProcessingFunction1-...-PacketProcessingFunctionN-TestType*
 210     - *10ge2p1x520-dot1q-l2bdbasemaclrn-ndrdisc.robot* => 2 ports of 10GE on
 211       Intel x520 NIC, dot1q tagged Ethernet, L2 bridge-domain baseline switching
 212       with MAC learning, NDR throughput discovery.
 213     - *10ge2p1x520-ethip4vxlan-l2bdbasemaclrn-ndrchk.robot* => 2 ports of 10GE
 214       on Intel x520 NIC, IPv4 VXLAN Ethernet, L2 bridge-domain baseline
 215       switching with MAC learning, NDR throughput discovery.
 216     - *10ge2p1x520-ethip4-ip4base-ndrdisc.robot* => 2 ports of 10GE on Intel
 217       x520 NIC, IPv4 baseline routed forwarding, NDR throughput discovery.
 218     - *10ge2p1x520-ethip6-ip6scale200k-ndrdisc.robot* => 2 ports of 10GE on
 219       Intel x520 NIC, IPv6 scaled up routed forwarding, NDR throughput
 220       discovery.
 221
 222 #. **Physical port to VM (or VM chain) to physical port - a.k.a. NIC2VM2NIC,
 223    P2V2P, NIC2VMchain2NIC, P2V2V2P**
 224
 225     - *PortNICConfig-WireEncapsulation-PacketForwardingFunction-
 226       PacketProcessingFunction1-...-PacketProcessingFunctionN-VirtEncapsulation-
 227       VirtPortConfig-VMconfig-TestType*
 228     - *10ge2p1x520-dot1q-l2bdbasemaclrn-eth-2vhost-1vm-ndrdisc.robot* => 2 ports
 229       of 10GE on Intel x520 NIC, dot1q tagged Ethernet, L2 bridge-domain
 230       switching to/from two vhost interfaces and one VM, NDR throughput
 231       discovery.
 232     - *10ge2p1x520-ethip4vxlan-l2bdbasemaclrn-eth-2vhost-1vm-ndrdisc.robot* => 2
 233       ports of 10GE on Intel x520 NIC, IPv4 VXLAN Ethernet, L2 bridge-domain
 234       switching to/from two vhost interfaces and one VM, NDR throughput
 235       discovery.
 236     - *10ge2p1x520-ethip4vxlan-l2bdbasemaclrn-eth-4vhost-2vm-ndrdisc.robot* => 2
 237       ports of 10GE on Intel x520 NIC, IPv4 VXLAN Ethernet, L2 bridge-domain
 238       switching to/from four vhost interfaces and two VMs, NDR throughput
 239       discovery.
 240
 241 Methodology: Multi-Thread and Multi-Core
 242 ----------------------------------------
 243
 244 **HyperThreading** - CSIT |release| performance tests are executed with SUT
 245 servers' Intel XEON CPUs configured in HyperThreading Disabled mode (BIOS
 246 settings). This is the simplest configuration used to establish baseline
 247 single-thread single-core SW packet processing and forwarding performance.
 248 Subsequent releases of CSIT will add performance tests with Intel
 249 HyperThreading Enabled (requires BIOS settings change and hard reboot).
 250
 251 **Multi-core Test** - CSIT |release| multi-core tests are executed in the
 252 following VPP thread and core configurations:
 253
 254 #. 1t1c - 1 VPP worker thread on 1 CPU physical core.
 255 #. 2t2c - 2 VPP worker threads on 2 CPU physical cores.
 256
 257 Note that in quite a few test cases running VPP on 2 physical cores hits
 258 the tested NIC I/O bandwidth or packets-per-second limit.
 259
 260 Methodology: Packet Throughput
 261 ------------------------------
 262
 263 Following values are measured and reported for packet throughput tests:
 264
 265 - NDR binary search per RFC2544:
 266
 267   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps
 268     (2x <per direction packets-per-second>)"
 269   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
 270     second> Gbps (untagged)"
 271
 272 - PDR binary search per RFC2544:
 273
 274   - Packet rate: "RATE: <aggregate packet rate in packets-per-second> pps (2x
 275     <per direction packets-per-second>)"
 276   - Aggregate bandwidth: "BANDWIDTH: <aggregate bandwidth in Gigabits per
 277     second> Gbps (untagged)"
 278   - Packet loss tolerance: "LOSS_ACCEPTANCE <accepted percentage of packets
 279     lost at PDR rate>""
 280
 281 - NDR and PDR are measured for the following L2 frame sizes:
 282
 283   - IPv4: 64B, IMIX_v4_1 (28x64B,16x570B,4x1518B), 1518B, 9000B.
 284   - IPv6: 78B, 1518B, 9000B.
 285
 286
 287 Methodology: Packet Latency
 288 ---------------------------
 289
 290 TRex Traffic Generator (TG) is used for measuring latency of VPP DUTs. Reported
 291 latency values are measured using following methodology:
 292
 293 - Latency tests are performed at 10%, 50% of discovered NDR rate (non drop rate)
 294   for each NDR throughput test and packet size (except IMIX).
 295 - TG sends dedicated latency streams, one per direction, each at the rate of
 296   10kpps at the prescribed packet size; these are sent in addition to the main
 297   load streams.
 298 - TG reports min/avg/max latency values per stream direction, hence two sets
 299   of latency values are reported per test case; future release of TRex is
 300   expected to report latency percentiles.
 301 - Reported latency values are aggregate across two SUTs due to three node
 302   topology used for all performance tests; for per SUT latency, reported value
 303   should be divided by two.
 304 - 1usec is the measurement accuracy advertised by TRex TG for the setup used in
 305   FD.io labs used by CSIT project.
 306 - TRex setup introduces an always-on error of about 2*2usec per latency flow -
 307   additonal Tx/Rx interface latency induced by TRex SW writing and reading
 308   packet timestamps on CPU cores without HW acceleration on NICs closer to the
 309   interface line.
 310
 311
 312 Methodology: KVM VM vhost
 313 -------------------------
 314
 315 CSIT |release| introduced environment configuration changes to KVM Qemu vhost-
 316 user tests in order to more representatively measure VPP-17.04 performance in
 317 configurations with vhost-user interfaces and VMs.
 318
 319 Current setup of CSIT FD.io performance lab is using tuned settings for more
 320 optimal performance of KVM Qemu:
 321
 322 - Qemu virtio queue size has been increased from default value of 256 to 1024
 323   descriptors.
 324 - Adjusted Linux kernel CFS scheduler settings, as detailed on this CSIT wiki
 325   page: https://wiki.fd.io/view/CSIT/csit-perf-env-tuning-ubuntu1604.
 326
 327 Adjusted Linux kernel CFS settings make the NDR and PDR throughput performance
 328 of VPP+VM system less sensitive to other Linux OS system tasks by reducing
 329 their interference on CPU cores that are designated for critical software
 330 tasks under test, namely VPP worker threads in host and Testpmd threads in
 331 guest dealing with data plan.
 332
 333 Methodology: IPSec with Intel QAT HW cards
 334 ------------------------------------------
 335
 336 VPP IPSec performance tests are using DPDK cryptodev device driver in
 337 combination with HW cryptodev devices - Intel QAT 8950 50G - present in
 338 LF FD.io physical testbeds. DPDK cryptodev can be used for all IPSec
 339 data plane functions supported by VPP.
 340
 341 Currently CSIT |release| implements following IPSec test cases:
 342
 343 - AES-GCM, CBC-SHA1 ciphers, in combination with IPv4 routed-forwarding
 344   with Intel xl710 NIC.
 345 - CBC-SHA1 ciphers, in combination with LISP-GPE overlay tunneling for
 346   IPv4-over-IPv4 with Intel xl710 NIC.
 347
 348 Methodology: TRex Traffic Generator Usage
 349 -----------------------------------------
 350
 351 The `TRex traffic generator <https://wiki.fd.io/view/TRex>`_ is used for all
 352 CSIT performance tests. TRex stateless mode is used to measure NDR and PDR
 353 throughputs using binary search (NDR and PDR discovery tests) and for quick
 354 checks of DUT performance against the reference NDRs (NDR check tests) for
 355 specific configuration.
 356
 357 TRex is installed and run on the TG compute node. The typical procedure is:
 358
 359     - If the TRex is not already installed on TG, it is installed in the
 360       suite setup phase - see `TRex intallation <https://gerrit.fd.io/r/gitweb?p=csit.git;a=blob;f=resources/tools/t-rex/t-rex-installer.sh;h=8090b7568327ac5f869e82664bc51b24f89f603f;hb=refs/heads/rls1704>`_.
 361     - TRex configuration is set in its configuration file
 362       ::
 363
 364         /etc/trex_cfg.yaml
 365
 366     - TRex is started in the background mode
 367       ::
 368
 369         sh -c 'cd /opt/trex-core-2.22/scripts/ && sudo nohup ./t-rex-64 -i -c 7 --iom 0 > /dev/null 2>&1 &' > /dev/null
 370
 371     - There are traffic streams dynamically prepared for each test. The traffic
 372       is sent and the statistics obtained using trex_stl_lib.api.STLClient.
 373
 374 **Measuring packet loss**
 375
 376     - Create an instance of STLClient
 377     - Connect to the client
 378     - Add all streams
 379     - Clear statistics
 380     - Send the traffic for defined time
 381     - Get the statistics
 382
 383 If there is a warm-up phase required, the traffic is sent also before test and
 384 the statistics are ignored.
 385
 386 **Measuring latency**
 387
 388 If measurement of latency is requested, two more packet streams are created (one
 389 for each direction) with TRex flow_stats parameter set to STLFlowLatencyStats. In
 390 that case, returned statistics will also include min/avg/max latency values.